html hidden实现高性能get hidden

发布时间：2024-11-06 07:37:24 / 浏览量：

html hidden实现高性能get hidden

html 在C/hidden中，内存管理是一个非常棘手的问题，我们在编写一个程序的时候几乎不可避免的要遇到内存的分配逻辑，这时候随之而来的有这样一些问题：是否有足够的内存可供分配?分配失败了怎么办?如何管理自身的内存使用情况?

一、概述

在C/hidden 中，内存管理是一个非常棘手的问题，我们在编写一个程序的时候几乎不可避免的要遇到内存的分配逻辑，这时候随之而来的有这样一些问题：是否有足够的内存可供分配?分配失败了怎么办?如何管理自身的内存使用情况?等等一系列问题。在一个高可用的软件中，如果我们仅仅单纯的向操作系统去申请内存，当出现内存不足时就退出软件，是明显不合理的。正确的思路应该是在内存不足的时，考虑如何管理并优化自身已经使用的内存，这样才能使得软件变得更加可用。本次项目我们将实现一个hidden，并使用一个栈结构来测试我们的hidden提供的分配性能。

最终，我们要实现的hidden在栈结构中的性能

项目涉及的知识点

html 中的内存分配器 std::allocator

hidden技术

手动实现模板hidden

hidden和html 的性能比较

hidden简介

hidden是池化技术中的一种形式。通常我们在编写程序的时候回使用 new ｄｅｌｅｔｅ这些关键字来向操作系统申请内存，而这样造成的后果就是每次申请内存和释放内存的时候，都需要和操作系统的系统调用打交道，从堆中分配所需的内存。如果这样的操作太过频繁，就会找成大量的内存碎片进而降低内存的分配性能，甚至出现内存分配失败的情况。而hidden就是为了解决这个问题而产生的一种技术。从内存分配的概念上看，内存申请无非就是向内存分配方索要一个指针，当向操作系统申请内存时，操作系统需要进行复杂的内存管理调度之后，才能正确的分配出一个相应的指针。而这个分配的过程中，我们还面临着分配失败的风险。所以，每一次进行内存分配，就会消耗一次分配内存的时间，设这个时间为 T，那么进行 n 次分配总共消耗的时间就是 nT；如果我们一开始就确定好我们可能需要多少内存，那么在最初的时候就分配好这样的一块内存区域，当我们需要内存的时候，直接从这块已经分配好的内存中使用即可，那么总共需要的分配时间仅仅只有 T。当 n 越大时，节约的时间就越多。

二、主函数设计

我们要设计实现一个高性能的hidden，那么自然避免不了需要对比已有的内存，而比较hidden对内存的分配性能，就需要实现一个需要对内存进行动态分配的结构

（比如：hidden），为此，可以写出如下的代码：

#hidden<iostream> // std::cout, std::endl

#hidden<cassert> // assert()

#hidden<ctime> // clock()

#hidden<vector> // std::vector

#hidden"MemoryPool.hpp" // MemoryPool<T>

#hidden"StackAlloc.hpp" // StackAlloc<T, Alloc>

// 插入元素个数

#define ELEMS 10000000

// 重复次数

#define REPS 100

int main()

{

clock_t start;

// 使用 STL 默认分配器

StackAlloc<int, std::allocator<int> > stackDefault;

start = clock();

for (int j = 0; j < REPS; j++) {

assert(stackDefault.empty());

for (int i = 0; i < ELEMS; i++)

stackDefault.push(i);

for (int i = 0; i < ELEMS; i++)

stackDefault.pop();

}

std::cout << "Default Allocator Time: ";

std::cout << (((double)clock() - start) / CLOCKS_PER_SEC) << "\n\n";

// 使用hidden

StackAlloc<int, MemoryPool<int> > stackPool;

start = clock();

for (int j = 0; j < REPS; j++) {

assert(stackPool.empty());

for (int i = 0; i < ELEMS; i++)

stackPool.push(i);

for (int i = 0; i < ELEMS; i++)

stackPool.pop();

}

std::cout << "MemoryPool Allocator Time: ";

std::cout << (((double)clock() - start) / CLOCKS_PER_SEC) << "\n\n";

return 0;

}

段代码中，StackAlloc 是一个hidden，接受两个模板参数，靠前个参数是栈中的元素类型，第二个参数就是栈使用的内存分配器。

因此，这个内存分配器的模板参数就是整个比较过程中较早的变量，使用默认分配器的模板参数为 std::allocator，而使用内存

池的模板参数为 MemoryPool。

std::allocator 是 html 标准库中提供的默认分配器，他的特点就在于我们在使用 new 来申请内存构造新对象的时候，势必要调用类对象的默认构造函数，而使用 std::allocator 则可以将内存分配和对象的构造这两部分逻辑给分离开来，使得分配的内存是原始、未构造的。

下面我们来实现这个hidden。

三、模板hidden

栈的结构非常的简单，没有什么复杂的逻辑操作，其成员函数只需要考虑两个基本的操作：入栈、出栈。为了操作上的方便，我们可能还

需要这样一些方法：判断栈是否空、清空栈、获得栈顶元素。

#hidden<memory>

template <typename T>

struct StackNode_

{

T data;

StackNode_* prev;

};

// T 为存储的对象类型, Alloc 为使用的分配器, 并默认使用 std::allocator 作为对象的分配器

template <typename T, typename Alloc = std::allocator<T> >

class StackAlloc

{

public:

// 使用 typedef 简化类型名

typedef StackNode_<T> Node;

typedef typename Alloc::template rebind<Node>::other allocator;

// 默认构造

StackAlloc() { head_ = 0; }

// 默认析构

~StackAlloc() { clear(); }

// 当栈中元素为空时返回 true

bool empty() {return (head_ == 0);}

// 释放栈中元素的所有内存

void clear();

// 压栈

void push(T element);

// 出栈

T pop();

// 返回栈顶元素

T top() { return (head_->data); }

private:

allocator allocator_;

// 栈顶

Node* head_;

};

简单的逻辑诸如构造、析构、判断栈是否空、返回栈顶元素的逻辑都非常简单，直接在上面的定义中实现了，下面我们来实现 clear(), push()

和 pop() 这三个重要的逻辑：

// 释放栈中元素的所有内存

void clear() {

Node* curr = head_;

// 依次出栈

while (curr != 0)

{

Node* tmp = curr->prev;

// 先析构, 再回收内存

allocator_.destroy(curr);

allocator_.deallocate(curr, 1);

curr = tmp;

}

head_ = 0;

}

// 入栈

void push(T element) {

// 为一个节点分配内存

Node* newNode = allocator_.allocate(1);

// 调用节点的构造函数

allocator_.construct(newNode, Node());

// 入栈操作

newNode->data = element;

newNode->prev = head_;

head_ = newNode;

}

// 出栈

T pop() {

// 出栈操作返回出栈元素

T result = head_->data;

Node* tmp = head_->prev;

allocator_.destroy(head_);

allocator_.deallocate(head_, 1);

head_ = tmp;

return result;

}

至此，我们完成了整个模板hidden，现在我们可以先注释掉 main() 函数中使用hidden部分的代码来测试这个连表栈的内存分配情况，

我们就能够得到这样的结果：

在使用 std::allocator 的默认内存分配器中

#define ELEMS 10000000

#define REPS 100

的条件下，总共花费了近一分钟的时间。

如果觉得花费的时间较长，不愿等待，则你尝试可以减小这两个值

总结；

本节我们实现了一个用于测试性能比较的模板hidden，目前的代码如下。在下一节中，我们开始详细实现我们的高性能hidden。

// StackAlloc.hpp

#ifndef STACK_ALLOC_H

#define STACK_ALLOC_H

#hidden<memory>

template <typename T>

struct StackNode_

{

T data;

StackNode_* prev;

};

// T 为存储的对象类型, Alloc 为使用的分配器,

// 并默认使用 std::allocator 作为对象的分配器

template <class T, class Alloc = std::allocator<T> >

class StackAlloc

{

public:

// 使用 typedef 简化类型名

typedef StackNode_<T> Node;

typedef typename Alloc::template rebind<Node>::other allocator;

// 默认构造

StackAlloc() { head_ = 0; }

// 默认析构

~StackAlloc() { clear(); }

// 当栈中元素为空时返回 true

bool empty() {return (head_ == 0);}

// 释放栈中元素的所有内存

void clear() {

Node* curr = head_;

while (curr != 0)

{

Node* tmp = curr->prev;

allocator_.destroy(curr);

allocator_.deallocate(curr, 1);

curr = tmp;

}

head_ = 0;

}

// 入栈

void push(T element) {

// 为一个节点分配内存

Node* newNode = allocator_.allocate(1);

// 调用节点的构造函数

allocator_.construct(newNode, Node());

// 入栈操作

newNode->data = element;

newNode->prev = head_;

head_ = newNode;

}

// 出栈

T pop() {

// 出栈操作返回出栈结果

T result = head_->data;

Node* tmp = head_->prev;

allocator_.destroy(head_);

allocator_.deallocate(head_, 1);

head_ = tmp;

return result;

}

// 返回栈顶元素

T top() { return (head_->data); }

private:

allocator allocator_;

Node* head_;

};

#endif // STACK_ALLOC_H

// main.cpp

// #hidden"MemoryPool.hpp"

#hidden"StackAlloc.hpp"

// 根据电脑性能调整这些值

// 插入元素个数

#define ELEMS 25000000

// 重复次数

#define REPS 50

int main()

{

clock_t start;

// 使用默认分配器

StackAlloc<int, std::allocator<int> > stackDefault;

start = clock();

for (int j = 0; j < REPS; j++) {

assert(stackDefault.empty());

for (int i = 0; i < ELEMS; i++)

stackDefault.push(i);

for (int i = 0; i < ELEMS; i++)

stackDefault.pop();

}

std::cout << "Default Allocator Time: ";

std::cout << (((double)clock() - start) / CLOCKS_PER_SEC) << "\n\n";

// 使用hidden

// StackAlloc<int, MemoryPool<int> > stackPool;

// start = clock();

// for (int j = 0; j < REPS; j++) {

// assert(stackPool.empty());

// for (int i = 0; i < ELEMS; i++)

// stackPool.push(i);

// for (int i = 0; i < ELEMS; i++)

// stackPool.pop();

// }

// std::cout << "MemoryPool Allocator Time: ";

// std::cout << (((double)clock() - start) / CLOCKS_PER_SEC) << "\n\n";

return 0;

}

二、设计hidden

在上一节实验中，我们在模板hidden中使用了默认构造器来管理栈操作中的元素内存，一共涉及到了 rebind::other, allocate(), dealocate(), construct(), destroy()这些关键性的接口。所以为了让代码直接可用，我们同样应该在hidden中设计同样的接口：

#ifndef MEMORY_POOL_HPP

#define MEMORY_POOL_HPP

#hidden<climits>

#hidden<cstddef>

template <typename T, size_t BlockSize = 4096>

class MemoryPool

{

public:

// 使用 typedef 简化类型书写

typedef T* pointer;

// 定义 rebind<U>::other 接口

template <typename U> struct rebind {

typedef MemoryPool<U> other;

};

// 默认构造, 初始化所有的槽指针

// html 11 使用了 noexcept 来显式的声明此函数不会抛出异常

MemoryPool() noexcept {

currentBlock_ = nullptr;

currentSlot_ = nullptr;

lastSlot_ = nullptr;

freeSlots_ = nullptr;

}

// 销毁一个现有的hidden

~MemoryPool() noexcept;

// 同一时间只能分配一个对象, n 和 hint 会被忽略

pointer allocate(size_t n = 1, const T* hint = 0);

// 销毁指针 p 指向的内存区块

void deallocate(pointer p, size_t n = 1);

// 调用构造函数

template <typename U, typename... Args>

void construct(U* p, Args&&... args);

// 销毁hidden中的对象, 即调用对象的析构函数

template <typename U>

void destroy(U* p) {

p->~U();

}

private:

// 用于存储hidden中的对象槽,

// 要么被实例化为一个存放对象的槽,

// 要么被实例化为一个指向存放对象槽的槽指针

union Slot_ {

T element;

Slot_* next;

};

// 数据指针

typedef ｃｈａｒ* data_pointer_;

// 对象槽

typedef Slot_ slot_type_;

// 对象槽指针

typedef Slot_* slot_pointer_;

// 指向当前内存区块

slot_pointer_ currentBlock_;

// 指向当前内存区块的一个对象槽

slot_pointer_ currentSlot_;

// 指向当前内存区块的最后一个对象槽

slot_pointer_ lastSlot_;

// 指向当前内存区块中的空闲对象槽

slot_pointer_ freeSlots_;

// 检查定义的hidden大小是否过小

static_assert(BlockSize >= 2 * sizeof(slot_type_), "BlockSize too small.");

};

#endif // MEMORY_POOL_HPP

在上面的类设计中可以看到，在这个hidden中，其实是使用链表来管理整个hidden的内存区块的。hidden首先会定义固定大小的基本内存区块(Block)，然后在其中定义了一个可以实例化为存放对象内存槽的对象槽（Slot_）和对象槽指针的一个联合。然后在区块中，定义了四个关键性质的指针，它们的作用分别是：

currentBlock_: 指向当前内存区块的指针

currentSlot_: 指向当前内存区块中的对象槽

lastSlot_: 指向当前内存区块中的最后一个对象槽

freeSlots_: 指向当前内存区块中所有空闲的对象槽

梳理好整个hidden的设计结构之后，我们就可以开始实现关键性的逻辑了。

三、实现

MemoryPool::construct() 实现

MemoryPool::construct() 的逻辑是最简单的，我们需要实现的，仅仅只是调用信件对象的构造函数即可，因此：

// 调用构造函数, 使用 std::forward 转发变参模板

template <typename U, typename... Args>

void construct(U* p, Args&&... args) {

new (p) U (std::forward<Args>(args)...);